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內容簡介

《柔性直流輸電係統穩態潮流建模與仿真》重點闡述瞭柔性直流輸電係統穩態潮流建模及其數值仿真相關技術，針對模塊化多電平換流器，提齣瞭基於排序建模法的電容電壓平衡穩定控製策略；基於同電位點可以短接的等效電路原理，建立瞭柔性直流輸電穩態方程，提齣瞭一種適用於柔性直流輸電係統的統一迭代潮流求解算法，該算法適閤推廣到含多端和多饋入的交直流混閤係統；基於保留非綫性方法，提齣瞭一種自動生成交直流係統方程雅可比矩陣的改進算法，以提高潮流程序的開發和計算效率；通過對含負荷參數的潮流方程的確定，建立瞭含柔性直流輸電的交直流混閤係統靜態電壓穩定分析模型；對修改後的 IEEE 節點算例係統進行相關的潮流與電壓穩定仿真分析，以驗證《柔性直流輸電係統穩態潮流建模與仿真》模型和算法的有效性。

目錄

前言
第1章緒論1
1.1引言1
1.2HVDC輸電係統概況3
1.2.1HVDC的原理和技術特點5
1.2.2HVDC的發展8
1.3VSC-HVDC輸電係統的概況14
1.3.1VSC-HVDC的技術特點14
1.3.2VSC-HVDC的研究狀況16
1.4MMC-HVDC輸電係統的概況17
1.4.1MMC-HVDC的技術特點17
1.4.2國外MMC-HVDC的工程應用17
1.4.3國內MMC-HVDC的工程應用19
1.4.4MMC-HVDC研究現狀和存在的問題21
1.5交直流係統潮流計算的研究現狀31
1.6交直流係統電壓穩定的研究現狀31
1.6.1靜態電壓穩定32
1.6.2動態電壓穩定33
參考文獻34
第2章MMC-HVDC的運行機理與等效模型44
2.1引言44
2.2MMC-HVDC的基本機理44
2.2.1MMC的基本概念44
2.2.2MMC的基本原理47
2.2.3MMC-HVDC係統的構成51
2.3MMC-HVDC的穩態運行特性52
2.3.1VSC-HVDC係統的運行特性52
2.3.2MMC-HVDC係統的運行特性53
2.4MMC-HVDC的運行控製方式56
2.5本章小結57
參考文獻57
第3章模塊化多電平換流器控製策略59
3.1引言59
3.2多電平換流器脈衝寬度調製算法59
3.2.1空間矢量脈衝寬度調製60
3.2.2開關頻率優化脈衝寬度調製60
3.2.3載波移相脈衝寬度調製60
3.3模塊化多電平換流器脈衝寬度調製算法60
3.3.1載波同相層疊脈衝寬度調製61
3.3.2載波交替反相層疊脈衝寬度調製61
3.3.3載波正負反相層疊脈衝寬度調製62
3.3.4三種調製方法實驗對比62
3.3.5三種調製算法的相關數學推導69
3.4子模塊電容電壓控製74
3.4.1子模塊電容電壓平衡控製74
3.4.2子模塊電容電壓穩定控製76
3.4.3仿真分析78
3.5本章小結80
參考文獻80
第4章含MMC-HVDC的交直流係統穩態模型和潮流計算82
4.1引言82
4.2MMC-HVDC簡化等效模型82
4.3含MMC-HVDC的交直流係統潮流計算84
4.3.1含MMC-HVDC交直流係統潮流方程84
4.3.2交直流潮流統一迭代算法85
4.4算例分析87
4.4.1含兩端MMC-HVDC的IEEE-57節點係統88
4.4.2含多端MMC-HVDC的IEEE-57節點係統90
4.4.3不同算例和不同控製方式之間的性能比較91
4.5本章小結91
參考文獻91
第5章基於保留非綫性的改進潮流算法93
5.1引言93
5.2自動微分技術93
5.3改進的交直流潮流算法96
5.4基於保留非綫性的交直流潮流算法98
5.5算例分析100
5.5.1含兩端MMC-HVDC的交直流係統101
5.5.2含三端MMC-HVDC的交直流係統103
5.5.3含兩饋入MMC-HVDC的交直流係統104
5.5.4不同算例和不同控製方式之間的性能比較104
5.6本章小結105
參考文獻106
第6章含MMC-HVDC的交直流係統靜態電壓穩定108
6.1引言108
6.2連續潮流算法108
6.3含MMC-HVDC的交直流係統電壓穩定模型111
6.3.1含參數的潮流方程111
6.3.2基於統一迭代法的連續潮流算法111
6.4算例分析115
6.4.1運行方式1116
6.4.2運行方式2和3117
6.4.3運行方式4118
6.4.4MMC-HVDC運行在4種方式下的性能比較119
6.5交直流係統連續潮流算法雅可比矩陣元素119
6.6本章小結122
參考文獻123
第7章修改後的IEEE節點算例係統參數126
7.1修改後的IEEE-5節點係統126
7.2修改後的IEEE-14節點係統127
7.3修改後的IEEE-30節點係統128
7.4修改後的IEEE-39節點係統130
7.5修改後的IEEE-57節點係統132
7.6修改後的IEEE-118節點係統134
參考文獻135

精彩書摘

第1章緒論
1.1引言
目前，我國電力係統已從區域性電網過渡到全國性互聯電網。眾所周知，我國地域遼闊，能源分布和負荷發展極不均衡，
其中60%的煤炭資源集中在山西平朔、陝西神戶和內濛古西部地區，72%的水力資源集中在西南地區，如金沙江、岷江、雅
魯藏布江和怒江等河流，而負荷中心卻集中在北京、廣東和上海等東部沿海城市，其電能消費約占全國的50%以上。因此，
一邊是守著優越條件“望水興嘆”、“望煤興嘆”，而另一邊是為缺電而苦惱，提齣實施“西電東送”這一偉大工程無疑
為解決矛盾提供瞭可能。西電東送工程為把西部資源優勢轉化為經濟優勢提供瞭新的曆史機遇，對加快我國能源結構調整
和東部地區發展將發揮極其重要的作用[1-6]。
根據我國有關部門規劃，西電東送將主要由北、中、南三大輸電通道構成。北綫是將黃河上遊的水電和山西、內濛古坑口
火電送往華北電網京津唐地區；中綫是將三峽和金沙江乾支流水電輸嚮華東電網；南綫是將貴州烏江、雲南瀾滄江和桂滇
黔三省交界處的南盤江、北盤江、紅水河的水電以及黔滇兩省的坑口火電嚮華南輸送。預計截止到2030年，距離超過
1000km的西電東送容量中，北綫為19.8GW，中綫為51.3GW，南綫為29.3GW，三大通道總輸送容量為100GW[3]。
因此，在西電東送工程中，如何解決遠距離大容量輸電已成為不可避免的現實問題。目前可行的技術方案有特高壓交流輸
電技術和高壓直流（High Voltage Direct Current，HVDC）輸電技術。在特定的條件下，HVDC係統與交流輸電係統相比
，在技術和經濟上具有一定的優勢，主要錶現在以下幾個方麵[1-6]：
（1）與輸送相同功率的交流綫路相比，HVDC的直流輸電綫路造價更低，傳輸效率更高，且所需輸電走廊較小；
（2）HVDC輸電方式的功率和能量的損耗較小；
（3）HVDC輸電綫本身不存在交流輸電係統自身固有的穩定問題，輸送距離和功率也不受電力係統同步運行穩定性的限製；
（4）綫路穩態運行時沒有電容電流，沒有電抗壓降，沿綫電壓分布較平穩，綫路本身無需無功功率補償；
（5）可以實現交流係統間的非同步相連；
（6）交流係統經由HVDC相連時，短路容量沒有增加；
（7）利用HVDC的快速調節性能可提高交流係統的穩定性，並可隔離故障；
（8）潮流和功率控製更為容易等。
此外，由於常規能源的緊張和環境的日益嚴峻問題，可再生能源的開發和利用受到前所未有的重視，與之相適應的分布式
發電（Distributed Generation，DG）技術因此得到快速發展。大電網與DG相結閤被世界許多能源、電力專傢公認為是能
夠節省投資、降低能耗和提高電力係統可靠性和靈活性的主要方式，是21世紀電力工業的發展方嚮[4]。HVDC輸電技術是
DG大規模接入電網係統的關鍵技術之一，其將電力電子技術與現代控製技術相結閤，通過對電力係統參數的連續調節控製
，從而可以大幅降低輸電損耗、提高輸電綫路輸電能力和保證電力係統穩定水平。因此，HVDC輸電在DG領域有著巨大的應
用潛力，將會帶來巨大的經濟效益和社會效益。
與傳統交流輸電係統相比，交直流混閤係統具有較大的輸送容量和更為靈活的運行方式。多條直流聯絡綫的引入，提高瞭
整個係統的可控程度，但同時也帶來一些特殊問題：交直流係統間、直流子係統間相互影響，且各直流控製係統結構和參
數存在差異，從而使交直流係統安全穩定性問題更加突齣，對電網穩定運行和控製提齣瞭更高的要求。傳統HVDC采用晶閘
管換流設備，隻能控製導通角，需反嚮電壓以實現關斷，可能齣現的換相失敗故障，已成為係統安全運行的一大威脅；而
換流過程需要消耗大量無功功率，更對其接入的交流係統的電壓穩定性提齣瞭嚴峻挑戰[7-9]。
隨著新型電力電子器件和現代控製技術的快速發展，采用電壓源換流器（Voltage Source Converter，VSC）和脈寬調製
（Pulse Width Modulation，PWM）技術的電壓源換流器型高壓直流（VSC-HVDC）輸電係統已經投入運行。VSC-HVDC可對
交直流係統交流母綫無功功率進行動態補償，從而可為受端係統提供良好的電壓支撐，有利於防止係統中晶閘管換相失敗
，並有助於在故障後快速恢復直流功率。自1997年世界上首個VSC-HVDC試驗工程成功投運以來，VSC-HVDC憑藉其獨特的技
術優勢，一直吸引著國內外眾多學者和工程研究人員的高度關注[10，11]。目前，國內外已有數十項VSC-HVDC的工程應用
，VSC-HVDC在嚮無源網絡供電、新能源並網和城市供電等領域具有廣闊的應用前景[11]。
目前已投運的VSC-HVDC工程的換流器基本是由2電平或3電平等拓撲組成的，此種結構的拓撲已經獲得瞭廣泛的應用，但其
本身存在著一些缺陷，用於HVDC工程時有諸多不足之處。例如，絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar
Transistor，IGBT）串聯所帶來的靜態、動態均壓和電磁乾擾，以及受電平數的限製，2電平或3電平換流器拓撲輸齣特性
較差；2電平或3電平的VSC多采用PWM調製，器件開關頻率高，開關損耗較大；2電平或3電平的VSC拓撲用於高壓領域時，
因受單個開關器件耐壓的限製，仍然免不瞭使用開關器件的直接串聯，對各器件開通和關斷的一緻性、串聯器件的均壓特
性等要求較高，一定程度上限製瞭其在HVDC工程中的進一步應用。以在風電場的應用為例，已有研究錶明[12，13]，盡管
VSC-HVDC性能優良、運行靈活，但因其損耗較高、換流器容量限製等缺陷，使得其在較大型風電場並網中的應用不是一個
昀優的方案，傳統的HVDC效果優於VSC-HVDC。若采用基於多電平拓撲的VSC構成換流器，則可彌補上述2電平或3電平的某
些缺陷，並且從動態特性和諧波影響等方麵考慮齣發，采用多電平拓撲的VSC更具有優勢。
常見的多電平換流器有二極管箝位型、飛跨電容型和級聯H橋型，其中二極管箝位型、飛跨電容型在VSC輸齣電平數較多時
，所需的懸浮電容將急劇增加，給係統控製及設備裝配帶來較大的睏難，並且因受VSC電平數目的限製，輸齣特性差、難以
模塊化生産；而級聯H橋型需要的獨立直流電源較多，不易實現四象限運行，對於有功功率傳輸的場閤，需要大量額外的獨
立直流電源，增加瞭工程應用的成本，並且其拓撲中不存在公共的直流正、負極母綫，不適閤用於直流輸電領域[11，14
-16]。
為此，德國慕尼黑聯邦國防軍大學的學者MarquardtR在2001年提齣瞭模塊化多電平換流器（Modular Multilevel
Converter，MMC）拓撲[17]，並研製瞭2MW、17電平的試驗樣機。MMC將電容與開關器件視為一個整體來構建子模塊，該拓
撲無需器件直接串聯，通過子模塊串聯提升換流器的電壓及功率等級，易於擴展到任意電平輸齣，具有較低的諧波畸變，
且可采用較低的開關頻率，從而降低瞭損耗，提高瞭效率；並且，MMC的模塊化結構使其可擴展性強，容易實現冗餘控製。
因而，MMC在無功補償、有源濾波器、電機拖動、電力牽引、直流輸電等領域具有廣闊的應用前景[18-22]；並且，MMC可
提供一個公共直流側，更易實現背靠背的連接，因此適閤用於VSC-HVDC輸電領域。
與VSC-HVDC相比，基於MMC的VSC-HVDC係統在減少開關損耗、容量升級、電磁兼容、故障管理等方麵具有明顯的優勢[18，
23-25]。目前，世界上已有4項投入運行的基於MMC的VSC-HVDC實際工程：美國舊金山市（San Francisco）的TBC（Trans
Bay Cable）工程、我國上海的南匯風電場柔性直流輸電示範工程、廣東南澳±160kV多端柔性直流輸電示範工程和浙江舟
山多端柔性直流輸電示範工程。2010年11月，世界上首個基於MMC的VSC-HVDC工程——TBC工程在美國舊金山市北部投入運
行[26]。我國的上海南匯風電場示範工程是我國第一個基於MMC的VSC-HVDC工程，於2011年7月25日正式投入運行[27]。目
前，由於基於MMC的VSC-HVDC技術尚處於起步階段，其基礎理論和工程應用等相關問題仍需要作進一步的研究。針對基於
MMC的VSC-HVDC交直流電力係統這一新的電網模式，將係統穩定性問題和分布式電源、係統互聯的發展結閤考慮，並根據
近年來VSC-HVDC技術的日趨成熟、實用輸送容量的快速增長這一事實，對含有基於MMC的VSC-HVDC交直流混閤電力係統的
潮流及其穩定性開展探索研究，具有重要的理論和現實意義。
1.2HVDC輸電係統概況
直流輸電是以直流電的方式進行電能傳送。電力係統中發電和用電設備絕大部分都是交流電，因此直流輸電的基本工作原
理是通過換流裝置將送端交流電轉換成直流電（稱之為整流），將直流電傳送到受端換流裝置，然後在受端將直流電轉換
成交流電（稱之為逆變），昀後將電能傳輸到受端係統中去。進行交直流轉換的場所，稱之為換流站。本書將進行整流的
場所稱為整流站，進行逆變的場所稱為逆變站。兩端直流輸電係統主要由整流站、逆變站和直流輸電綫路三部分組成。兩
端直流輸電係統通常具有雙嚮直流送電功能，即具有有功功率反送功能，在此情況下，任一側的換流站既可作為整流站運
行，也可以作為逆變站運行。因此，對於同一高壓直流輸電工程而言，兩側換流站的設備種類、設備數量甚至設備布置方
式幾乎完全一樣，僅僅在於少數設備的颱數和容量有所差彆。其中，換流器是換流站中昀重要的電氣一次設備，除此之外
，為瞭滿足交、直流係統對於安全穩定和電能質量的要求，換流站中還裝設有以下設備：換流變壓器、平波電抗器、濾波
器、無功補償裝置、控製保護係統、接地極綫路、接地極、遠程通信係統等[28，29]。
根據換流站的數目，直流輸電係統可以分為兩端直流輸電係統和多端直流輸電係統，其中，兩端直流輸電係統隻有兩個換
流站，與交流係統有兩個連接端口，是結構昀簡單的直流輸電係統；具有三個或三個以上的換流站的直流輸電係統為多端
直流輸電係統，它與交流係統有三個或三個以上的連接端口[30-32]。目前，世界上已經投入運行的直流輸電工程大部分
為兩端直流輸電係統，根據工程特點和運行需要，主要分為直流單極輸電係統、直流雙極輸電係統和背靠背直流輸電係統
三種類型，隻有為數不多的多端直流輸電係統處於試驗運行階段。因此，本章在此主要介紹兩端直流輸電係統的分類及其
基本概念。
1）直流單極輸電係統
直流單極輸電係統[28]根據迴流方式不同，分為單極大地（海水）迴綫和單極金屬迴綫兩種接綫方式。前者利用大地或海
水作為返迴通路，直流輸電綫路隻需要一根極導綫，因此這種方式可以大大降低直流輸電工程的造價，但是接地極對地下
鋪設物、通信綫路及磁性羅盤均會造成一定的影響和危害。
單極金屬迴綫方式由一根高壓極導綫和一根低壓極導綫組成，這種接綫方式顯然在經濟上不是昀閤理的，但是它往往作為
直流雙極輸電係統的一期工程。
2）直流雙極輸電係統
直流雙極輸電係統[28]又可分為兩端中性點接地方式、單端中性點接地方式和中性綫方式。兩端中性點接地方式相當於兩
個單極大地（海水）迴綫方式。當雙極對稱運行時，理想情況下，正負兩極導綫的電流大小相等，方嚮相反，接地極無電
流。實際運行中，由於換流變壓器阻抗和觸發角等因素，兩極導綫的電流不是完全相等的，會造成接地極有不平衡電流流
過，可以通過調節控製兩極的觸發角，使其小於額定直流電流的1%。當任意一極輸電綫路或換流閥發生故障退齣運行時，
仍可以單極大地（海水）迴綫方式運行，承擔輸送50%的電能。由此可見，這種方式很大程度上提高瞭直流輸電的可靠性和
可用率。目前投入運行的直流輸電工程較多采用這種運行方式。
單端中性點接地方式隻將某一端換流站的中性點接地，流過接地極的電流為正負兩極導綫的電流之差。這種方式發生單極
故障時，係統就無法運

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